숨 꾹참고 딥다이브 - JPA 원리편

Intro

다시 돌아왔습니다. 이번 포스팅에서는 JPA 의 원리를 한번 딥하게 파 보도록 하겠습니다.

사실 JPA 의 원리를 딥하게 판다는 말 자체가 조금은 이상할 수 있습니다. JPA 그 자체는 인터페이스 명세일 뿐이니까요.

여기서 말하는 원리는 Spring Data JPA 의 동작 원리, 설계 철학에 대한 이야기라고 이해해주시면 감사하겠습니다. 'Spring Data JPA 와 Hibernate 구현체가 어떻게 맞 물리는지?' 라는 주제로 생각 해 주시면 될 것 같아요.

Spring 에 입문한 시점에서 정말 이해가 어렵고 적응이 어려웠던 것 중 하나가 JpaRepository 였습니다.

개발자가 직접 컨트롤하지 않는 프레임워크의 영역으로 CRUD 작업이 처리되는 게 편하긴 하지만...막상 에러가 발생했을 때 문제를 처리하려면 동작 원리를 잘 알아야 했죠.

Spring 으로 앱을 개발하고 운영하는 단계에서는 더이상 입문이 아니기 때문에 특히 원리 이해도가 중요해집니다.

이번 포스팅에서는 JPA 에서 원리라고 다룰 수 있는 것들은 최대한 다뤄보려고 합니다.

☕ 커피 한잔과 함께 즐겨주세요. 이번에도 깊게 딥다이브 해 보겠습니다.

JPA 와 Hibernate 의 관계 다시 리마인드 하기

JPA (Java Persistence API) 는 ORM (Object Relational Mapping) 을 위한 인터페이스 명세고, Hibernate 는 JPA 명세를 구현한 대표적인 구현체 (Implementation) 입니다.

Spring Data JPA 는 Hibernate 를 JPA 로 감싼 추상화 계층 + Repository 자동 구현 라이브러리입니다.

Application
   ↓
Spring Data JPA (Repository Layer)
   ↓
JPA Interface (EntityManager, EntityTransaction 등)
   ↓
Hibernate (실제 구현체)
   ↓
JDBC Driver → Database

Spring Data JPA (Spring Boot Starter) 를 셋업하면 위와 같은 구조를 가지게 됩니다. 개발자는 Spring Data JPA 를 통해서 DB 커넥션을 셋업하고, 엔티티를 정의하죠.

하지만 만약 여러 데이터베이스를 같이 연동해야한다면? JPA 의 EntityManager와 EntityTransaction 을 셋업해야 합니다. 조금 더 깊게 파고들어야 하는 시점이 오게 되죠.

엔티티 매니저 (EntityManager) - JPA 의 심장

엔티티 매니저 (EntityManager) 는 JPA 의 핵심 인터페이스입니다. 모든 DB 조작이 여기서부터 시작 되죠.
Spring Boot 에서는 @PersistenceContext 또는 EntityManagerFactory 를 통해 주입됩니다.

@Service
class MemberService(
    private val em: EntityManager
) {
    fun save(member: Member) {
        em.persist(member)
    }
}

아마 JpaRepository 를 불러와서 CRUD 를 하는 게 대부분 익숙하실겁니다. 원리를 아는 게 목적이니 이번엔 직접 EntityManager 를 불러 와 보겠습니다.

persist 메소드를 호출하는 데 있어서 네 가지 메커니즘이 동작하게 됩니다.

  • 엔티티를 영속성 컨텍스트에 등록 (1차 캐시 저장)
  • 스냅샷 생성 (변경 감지를 위한 원본 복사본 저장)
  • 트랜잭션 커밋 시점에 flush() 실행
  • JDBC batch insert 실행 후 DB 반영

JPA 는 즉시 데이터를 DB 에 반영하지 않습니다. JDBC 로 call 을 하기 전에 데이터를 검증하는 과정을 거치죠. 이를 쓰기 지연 (Write-behind) 전략이라고 합니다.

왜 이런 전략을 쓰게 되었을까요? 우리가 필요 할 때 마다 JDBC 에 CRUD 를 모두 태우게 된다면 하나의 비즈니스 로직에서 연속적으로 DB 서버에 Query 가 요청 됩니다. 이는 DB 서버에 부하를 일으킬 수 있죠.

영속성 컨텍스트 (Persistence Context)

영속성 컨텍스트는 엔티티의 생명주기를 관리하는 가상의 1차 캐시입니다.

엔티티의 상태는 아래의 4가지 단계를 거칩니다.

상태설명
비영속 (Transient)new로 생성했지만 아직 영속성 컨텍스트에 등록되지 않음
영속 (Persistent)em.persist()를 통해 등록됨 (1차 캐시에 저장)
준영속 (Detached)em.detach(), em.clear(), em.close()로 분리됨
삭제 (Removed)em.remove() 호출 시 삭제 예약 상태

만약에 하나의 정해진 트랜잭션 내에서 조회를 여러번 진행하는 상황이 생긴다고 가정 해보겠습니다.

만약 1차 캐시가 없다면 우리는 DB 에 같은 데이터를 조회하는 쿼리를 여러번 보내야하는 상황에 놓입니다.

앞서 말씀드렸다시피 JPA 는 쓰기 지연 전략을 채택하고 있습니다. 가능하면 하나의 트랜잭션이 확실히 끝난 시점에서 데이터를 업데이트 하는 게 좋겠죠.

그렇다면 같은 엔티티를 조회할 때 1차 캐시에 두는 게 여러모로 유리합니다. 데이터의 변경이 감지되면 더티 체킹 (Dirty Checking) 기능이 동작하게 됩니다. 이 경우 flush() 메소드가 호출되는 시점에 update SQL 이 발생하게 되죠.

val member = em.find(Member::class.java, 1L)
member.name = "Woojin"
tx.commit() // flush() -> dirty checking -> update SQL 발생

더티 체킹 (Dirty Checking) 에 대해서는 추후 좀 더 자세히 다뤄보겠습니다.

flush - SQL 이 실제로 나가는 순간

flush 는 영속성 컨텍스트의 변경 내용을 DB 에 직접 반영하는 과정입니다.

flush 가 호출되는 트리거는 다음과 같습니다.

플러시 트리거설명
수동 flush() 호출 시명시적으로 영속성 컨텍스트 반영
JPQL 실행 시JPQL은 DB 상태를 기준으로 하므로 flush 먼저 실행
트랜잭션 커밋 시Spring이 내부적으로 flush 후 commit 수행

commit 과 flush 는 다릅니다. flush 는 DB 반영 예약, commit 은 트랜잭션 완료라고 이해하시면 되겠습니다.

Dirty Checking - Hibernate 의 그림자

Hibernate 은 엔티티를 persist() 할 때 스냅샷 (초기상태) 를 함께 저장합니다.

이 후 트랜잭션이 커밋되는 시점에서 스냅샷과 현재 객체를 비교하여 변경점을 찾죠.

val member = em.find(Member::class.java, 1L)
member.name = "DevCow"  // update SQL? ❌ 아직 아님
tx.commit()             // flush() 실행 시 update SQL 생성 ✅

엔티티 객체의 필드 값이 변경 된 경우 우리는 JPA 가 알아서 Update 쿼리를 날린다고 이해하고 있습니다.

사실은 JPA 는 update 메소드가 따로 존재하지 않습니다. 날아가는 쿼리에서는 UPDATE 로 날아갈 지도 모르지만요...

JPQL 과 SQL 의 만남

아마 JPA 를 통해 동적 쿼리를 작성하다보면 한번 쯤은 만났을 지도 모르는 기능이 나타났습니다. 바로 JPQL 입니다.

JPQL (Java Persistence Query Language) 는 엔티티 객체를 대상으로 한 쿼리입니다. Hibernate 가 이를 SQL 로 반환해서 JDBC 로 실행하죠.

val members = em.createQuery(
    "select m from Member m where m.name = :name", Member::class.java
)
.setParameter("name", "Woojin")
.resultList
select member_id, name
from member
where name = ?

이로써 구조가 완성 되었습니다.

JPA - Hibernate - JDBC 간의 연결관계에서 Spring Data JPA 를 통해 애플리케이션 영역의 비즈니스 로직 작성, Hibernate 를 통한 엔티티 및 트랜잭션 관리, 최종 JDBC 를 통한 쿼리 전달 구조를 한번 살펴보았습니다.

Tip! N+1 문제

JPA 를 쓰다보면 한번 쯤은 하게 되는 실수죠. N+1 문제입니다.

JPA 엔티티로 우리가 연관관계 매핑을 하는 경우가 있죠. 외래키를 통해 JOIN 해 올 수 있는 데이터를 쉽게 가져올 수 있지만...자칫 잘못 사용하다간 N+1 문제를 일으킬 수 있습니다.

여기서 N + 1 문제를 한번 설명하고 넘어가자면, 연관관계 매핑이 되어있는 데이터를 조회할 때 1번의 초기 쿼리 외에 연관된 데이터 갯수 (N) 만큼 추가 쿼리가 발생하는 문제입니다.

val teams = em.createQuery("select t from Team t", Team::class.java).resultList
teams.forEach { println(it.members.size) } // N+1 발생

예를 들어 팀에 소속된 멤버를 조회하고자 할 때, select t form Team t 외에 select m from Member m 을 N 번 하게 되는 샘이죠.

사실 일반적으로 SQL 로 데이터를 조회해오는 상황에서는 보통 JOIN 쿼리 하나로 해결이 되어야 하는 상황이죠.

이 문제는 fetchJoin 을 사용하면 해결할 수 있습니다.

select t from Team t join fetch t.members

BatchSize 옵션을 통해 이 문제를 회피할 수도 있지만...개인적으론 fetchJoin 만 잘 써도 실무에서 N+1 을 회피할 수 있었다고 생각합니다.

아니면 그냥 연관관계 매핑을 쓰지 않고 모든 쿼리를 QueryDSL 로 작성하는 것도 방법이긴 합니다...

Spring Data JPA - EntityManager 의 자동화

Spring Data JPA 는 내부적으로 다음을 수행합니다.

interface MemberRepository : JpaRepository<Member, Long>

앞서 예시에서는 EntityManager 를 직접 가져왔죠. 하지만 Spring Data JPA 를 사용하면 굳이 그럴 필요가 없습니다. 이렇게 필요한 엔티티에 대한 Repository interface 만 선언 해 주면 되죠.

Spring Data JPA 는 내부적으로 이런 엔티티 Repository 에 대해 SimpleJpaRepository로 프록시를 구현합니다. 그러면 내부적으로 EntityManager를 주입받아 모든 CRUD 처리할 수 있게 됩니다.

이 프록시를 통해 우리는 findByXXX 와 같은 쿼리 메소드를 사용할 수 있습니다. 동적 쿼리를 작성할 때 쓰는 Specification 기능도 사용할 수 있죠.

개인적으론...Specification 보다는 QueryDSL 을 좀 더 선호하기는 합니다. 다만 QueryDSL 은 그 만큼 QClass 생성으로 인해 바이너리가 무거워질 수도 있습니다.

즉, 우리가 직접 EntityManager를 다루지 않아도 Spring이 트랜잭션 경계 내에서 영속성 컨텍스트를 자동 관리해줄 수 있습니다.

요약 : JPA 를 이해하기 위한 핵심 정리

지금까지 Spring Data JPA - Hibernate - JDBC 간의 연관성, 그리고 엔티티 클래스를 조회 해 오는 과정을 통해 JPA 의 동작 원리를 살펴 보았습니다.

지금까지의 내용을 다섯줄로 요약 해 보겠습니다.

  1. JPA는 ORM 표준 인터페이스, Hibernate는 그 구현체 입니다.
  2. EntityManager가 영속성 컨텍스트를 관리합니다.
  3. flush는 커밋 전에 변경 내용을 DB에 반영하는 예약 명령 입니다.
  4. 더티 체킹은 스냅샷 기반 객체 변경 탐지 메커니즘 입니다.
  5. JPQL은 엔티티를 대상으로 하는 SQL 추상화 언어 입니다.

마치며

이번 포스팅에서는 JPA 의 작동 원리에 대해 알아보았습니다.

JPA 는 단순히 DB 에 쿼리를 대신 날려주는 도구라고 보긴 어렵습니다.

DB 에 쿼리를 날리기 전, 내부 로직을 통해 최종 전달할 쿼리를 최적화 해주는 도구죠. 하나의 트랜잭션에서 불필요한 쿼리가 발생하는 것을 막아주기도 하죠.

JDBC 만 가지고 개발할 때에 비해 개발자들이 전달하는 쿼리들을 어느정도는 최적화시켜주기는 하지만 SQL 쿼리 자체를 튜닝시켜주는 것은 아닙니다. 불필요하게 여러번 호출하지 않도록 도와주는 역할을 하죠.

다만, 이런 경우는 있습니다. 실무를 하다보면 단순 엔티티 SELECT 를 했다고 생각하지만, DBA 입장에서는 이런 이야기를 할 수도 있어요.

아니 왜 자꾸 SELECT * 를 때리는거야! JPA 는 이래서 안돼!

꼭 필요한 컬럼들만 조회하는게 사실은 맞기는 합니다. 물론 테이블을 미니멀하게 잘 설계해뒀다면 괜찮겠지만, 매번 그렇지는 못할 수 있다는 것은 감안하고 사용해야 합니다. 우리가 늘 신규 서비스만 개발하는 건 아니니까요.

특히 오래된 서비스를 건들게 된다면, 가끔은 옆으로 뚱뚱한데 데이터 양까지 많은 테이블을 건드리는 경우가 생깁니다. 이 경우에는 절대 JPA 를 만능으로 생각해서는 안됩니다.

다음 포스팅은 JPA 사용 팁입니다. 어떻게 하면 실무에서 더 잘 쓸 수 있을 지 내용들을 정리해서 작성 해 보도록 하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!